防爆電機(jī)

起重電機(jī)之門座式起重機(jī)吊具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速改造

發(fā)布時(shí)間：2022-08-11 14:33:00 點(diǎn)擊：

摘要

起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫宏達(dá)電機(jī)2022年8月11日訊 為克服洋浦國(guó)際集裝箱碼頭作業(yè)岸線短、前沿設(shè)備少等缺點(diǎn)，利用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)2臺(tái)集裝箱門座式起重機(jī)的吊具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行變頻改造，使門機(jī)吊具旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)變頻控制，并增加手動(dòng)微調(diào)和自動(dòng)跟隨等功能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)變頻調(diào)速改造后的集裝箱門機(jī)作業(yè)效率顯著提高，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)吊架作業(yè)工況，有效降低工班作業(yè)人數(shù)，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效作業(yè)的同時(shí)進(jìn)一步降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

引言

2018年4月13日，中共中央總書記、國(guó)家主席習(xí)近平在慶祝海南建省辦經(jīng)濟(jì)特區(qū)30周年大會(huì)上鄭重宣布，黨中央決定支持海南全島建設(shè)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)，支持海南逐步探索、穩(wěn)步推進(jìn)中國(guó)特色自由貿(mào)易港建設(shè)，分步驟、分階段建立自由貿(mào)易港政策和制度體系。同年4月14日，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于支持海南全面深化改革開放的指導(dǎo)意見》正式對(duì)外發(fā)布，海南島迎來(lái)全島建設(shè)新時(shí)代。2019年11月5日，在上海舉行的第二屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)開幕式上，習(xí)總書記明確表示，中國(guó)將繼續(xù)鼓勵(lì)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)大膽試、大膽闖，加快推進(jìn)海南自由貿(mào)易港建設(shè)，打造開放新高地。在新形勢(shì)背景下，海南省將迎來(lái)更多面向東盟、面向世界的發(fā)展機(jī)遇。海南港口必須順應(yīng)發(fā)展需要，盡快提高服務(wù)集裝箱運(yùn)輸?shù)臈l件和能力，為即將到來(lái)的快速發(fā)展時(shí)期提前布局，更好地適應(yīng)和服務(wù)海南運(yùn)輸更加自由、貿(mào)易更加自由的發(fā)展新局面。

近年來(lái)，各類紅利政策相繼出臺(tái)，進(jìn)一步支持洋浦港吸引國(guó)內(nèi)外貨源、發(fā)展國(guó)際中轉(zhuǎn)運(yùn)輸業(yè)務(wù)。新形勢(shì)下，洋浦國(guó)際集裝箱碼頭有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）積極把握自貿(mào)港政策紅利，充分利用自身良港資源，加快推進(jìn)港口能力提升建設(shè)，將洋浦國(guó)際集裝箱碼頭逐步打造成為面向印度洋、太平洋的國(guó)際集裝箱樞紐港，對(duì)服務(wù)海南自由貿(mào)易港和西部陸海新通道兩大國(guó)家戰(zhàn)略提供重要支撐。

設(shè)備現(xiàn)狀

洋浦國(guó)際集裝箱碼頭現(xiàn)有8臺(tái)65 t-55 m型集裝箱岸橋、30臺(tái)輪胎式場(chǎng)地吊、2臺(tái)軌道式場(chǎng)地吊、4臺(tái)多用途門機(jī)，其中2臺(tái)45 t-35 m型多用途門機(jī)配置360°全回轉(zhuǎn)集裝箱吊具。在作業(yè)時(shí)，吊具旋轉(zhuǎn)和起重機(jī)旋轉(zhuǎn)應(yīng)保持同步，保證集裝箱吊具橫向軸線始終與起重機(jī)軌道保持平行。但在實(shí)際作業(yè)中，會(huì)出現(xiàn)吊具搖晃幅度較大、吊具姿態(tài)難以控制、對(duì)箱操作困難等情況，嚴(yán)重影響單機(jī)作業(yè)效率和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全。通過(guò)對(duì)設(shè)備程序的深入研究和多方咨詢，得知該吊具旋轉(zhuǎn)功能存在一定設(shè)計(jì)缺陷，吊具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由2臺(tái)1.5 kW電機(jī)組成，均為AC 380 V/50 Hz工頻直接驅(qū)動(dòng)，因此吊具旋轉(zhuǎn)電機(jī)僅有1個(gè)額定轉(zhuǎn)速，且調(diào)整速度過(guò)快，不能實(shí)現(xiàn)快/慢速切換，從而導(dǎo)致其無(wú)法有效控制吊具姿態(tài)和旋轉(zhuǎn)角度。

為充分挖掘設(shè)備潛力，應(yīng)對(duì)當(dāng)下集裝箱業(yè)務(wù)增量所帶來(lái)的前沿設(shè)備作業(yè)壓力，公司針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷對(duì)現(xiàn)有設(shè)備操作工況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過(guò)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制程序的修改，使吊具旋轉(zhuǎn)功能夠?qū)崿F(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)、無(wú)級(jí)變速、吊具旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)跟隨運(yùn)行等3大功能，以技術(shù)手段保證設(shè)備作業(yè)的安全性和司機(jī)操作的便捷性，為提升港口設(shè)備裝卸能力做出技術(shù)上的積極探索。

改造方案

2.1　控制功能

2.1.1　變頻驅(qū)動(dòng)和無(wú)極變速

變頻驅(qū)動(dòng)和無(wú)極變速這2大功能的實(shí)現(xiàn)得益于變頻器的介入。通過(guò)將原有直接工頻驅(qū)動(dòng)的2臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)改造為由變頻器驅(qū)動(dòng)，增加1套變頻器系統(tǒng)與本機(jī)PLC進(jìn)行通信。同時(shí)，在司機(jī)操作手柄上增設(shè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行按鈕，并通過(guò)本機(jī)PLC處理按鈕信號(hào)，再將處理信號(hào)傳輸至吊具旋轉(zhuǎn)變頻器，最后由變頻器輸出設(shè)定頻率以驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)吊具左右旋轉(zhuǎn)的微動(dòng)調(diào)整。

2.1.2　自動(dòng)跟隨運(yùn)行功能

自動(dòng)跟隨運(yùn)行功能通過(guò)起重機(jī)旋轉(zhuǎn)變頻器與吊具旋轉(zhuǎn)變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)吊具旋轉(zhuǎn)和起重機(jī)旋轉(zhuǎn)保持同步，并保證集裝箱吊具的橫向軸線始終與起重機(jī)軌道保持平行。在初步設(shè)定時(shí)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整將吊具旋轉(zhuǎn)至與軌道平行的位置，當(dāng)起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)PLC將旋轉(zhuǎn)速度上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)程序根據(jù)起重機(jī)實(shí)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度確定吊具旋轉(zhuǎn)速度，并通過(guò)PLC將確定的速度傳輸至吊具旋轉(zhuǎn)變頻器，以控制吊具旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，保證吊具旋轉(zhuǎn)和起重機(jī)旋轉(zhuǎn)同步動(dòng)作，使吊具姿態(tài)始終相對(duì)于軌道平行。自動(dòng)控制流程見圖1。手動(dòng)控制流程見圖2。

2種控制方式都以吊具旋轉(zhuǎn)變頻器與本機(jī)PLC的通信為基礎(chǔ)，其中：PLC主要負(fù)責(zé)讀取、處理設(shè)備硬件數(shù)據(jù)并傳輸至吊具旋轉(zhuǎn)變頻器；吊具旋轉(zhuǎn)變頻器經(jīng)過(guò)讀取處理后輸出額定頻率和動(dòng)作時(shí)間，控制吊具旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。改造采用的吊具旋轉(zhuǎn)變頻器為安川A1000型變頻器（5.5 kW），機(jī)上PLC型號(hào)為安川CP317。選擇同品牌產(chǎn)品使本次改造在通信協(xié)議、通信方式上的技術(shù)難度和操作難度明顯降低。

2.2　硬件設(shè)備

改造在硬件設(shè)備方面主要增加1套安川A1000變頻器、2套航空操作手柄、2臺(tái)1.5 kW旋轉(zhuǎn)電機(jī)和其他輔助電器元件。

2.2.1　安川A1000型變頻器

變頻器主要由主回路和控制回路等2部分組成，其中：主回路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分，主要由整流器、濾波器、逆變器和制動(dòng)單元等組成；控制回路主要由運(yùn)算回路、電壓/電流檢測(cè)回路、驅(qū)動(dòng)回路和轉(zhuǎn)速檢測(cè)回路等4部分組成。

2.2.2　航空手柄

改造選配型號(hào)為VNS04FN11AKERUGN（1RD2GN3YE4BL6LWH6RBK）的航空手柄取代機(jī)械式手柄，在保留設(shè)備主機(jī)構(gòu)操作性的同時(shí)，在手柄上增設(shè)吊具旋轉(zhuǎn)操作按鈕，方便司機(jī)在移動(dòng)主機(jī)構(gòu)的同時(shí)微動(dòng)調(diào)整吊具旋轉(zhuǎn)方向，保證吊具旋轉(zhuǎn)精度，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，提高裝卸效率。

2.3　I/O分配表

改造由于增加吊具操作旋轉(zhuǎn)按鈕、變頻器故障（準(zhǔn)備）和其他控制功能，必須對(duì)設(shè)備原有電路進(jìn)行部分改造。改造重在PLC輸入/輸出點(diǎn)的增加和替換，共增加16個(gè)輸入點(diǎn)和3個(gè)輸出點(diǎn)。輸入端子分配見表1。輸出端子分配見表2。

2.4　電氣原理圖

本次改造新增的電氣元器件主要涉及主回路電氣圖、輔助回路電氣圖、PLC輸入回路電氣圖和PLC輸出回路電氣圖等方面。主回路電氣圖見圖3。輔助回路電氣圖見圖4。PLC輸入回路電氣圖見圖5。PLC輸出回路電氣原理圖見圖6。

改造效果

本次設(shè)備技術(shù)改造從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)出發(fā)，結(jié)合本機(jī)運(yùn)行工況，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和論證，實(shí)現(xiàn)吊具旋轉(zhuǎn)自動(dòng)跟隨功能，有效提高單機(jī)作業(yè)效率，降低用人成本，對(duì)于提升岸線作業(yè)能力與降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等方面起到積極作用。

3.1　設(shè)備操作

改造將原機(jī)配備的機(jī)械手柄更換為航空式手柄，并將手柄機(jī)械互鎖保護(hù)更改為按鈕式電氣互鎖。考慮到手柄操作的安全性，按鈕位置也滿足人機(jī)工程學(xué)原理，在方便司機(jī)操作的同時(shí)能夠有效避免司機(jī)對(duì)設(shè)備主機(jī)構(gòu)的誤操作。

吊具旋轉(zhuǎn)操作按鈕和吊具導(dǎo)板動(dòng)作按鈕布置在手柄上方，方便司機(jī)在設(shè)備主機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)對(duì)吊具輔助功能進(jìn)行便捷的操作。

3.2　設(shè)備安全

本次設(shè)備改造充分考慮設(shè)備安全性。針對(duì)變頻器保護(hù)，增加變頻器準(zhǔn)備和變頻器故障等2個(gè)輸入點(diǎn)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備機(jī)構(gòu)無(wú)法動(dòng)作，等待維修人員上機(jī)檢查修復(fù)；當(dāng)變頻器準(zhǔn)備未到位時(shí)，設(shè)備機(jī)構(gòu)也無(wú)法動(dòng)作。

3.3　作業(yè)效率和人工成本

3.3.1　數(shù)據(jù)收集

本次吊具旋轉(zhuǎn)功能改造優(yōu)化司機(jī)作業(yè)操作，降低作業(yè)過(guò)程中的對(duì)箱時(shí)長(zhǎng)，大幅提高集裝箱裝卸效率。相較于使用傳統(tǒng)集裝箱吊架進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)面人工大幅降低，有效減少碼頭裝卸船作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如下。

改造前。取2017年12月份作業(yè)數(shù)據(jù)，平均作業(yè)效率為10.7 TEU/h。2017年12月門機(jī)作業(yè)效率見表3。

改造后。取2020年7月上旬作業(yè)數(shù)據(jù)，平均作業(yè)效率為15.61 TEU/h。取2021年8月下旬作業(yè)數(shù)據(jù)，平均作業(yè)效率為17.31 TEU/h。取2022年2月中旬作業(yè)數(shù)據(jù)，平均作業(yè)效率為17.46 TEU/h。2020年7月門機(jī)作業(yè)效率見表4。2021年8月門機(jī)作業(yè)效率見表5。2022年2月門機(jī)作業(yè)效率見表6。

3.3.2　數(shù)據(jù)分析

針對(duì)本次抽取的4組實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)改造后的作業(yè)效率從10.70 TEU/h提升至約16.79 TEU/h，效率提高56.92%。相較于傳統(tǒng)門架作業(yè)，在作業(yè)效率基本持平的情況下，作業(yè)人數(shù)由6人減少到3人，用工人數(shù)降低50%。改造前后作業(yè)效率和工班人數(shù)對(duì)比見表7。

綜上所述，2臺(tái)45 t-35 m型多用途門機(jī)在實(shí)施吊具旋轉(zhuǎn)功能改造后，集裝箱裝卸船作業(yè)效率顯著提高，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)吊架作業(yè)工況，用工成本和碼頭前沿作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。

文章刊發(fā)于《港口科技》2022年第4期；

原文標(biāo)題：門座式起重機(jī)吊具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速改造

作者：張誠(chéng)龍，萬(wàn)梓清；洋浦國(guó)際集裝箱碼頭有限公司，海南港航控股有限公司

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